本發(fā)明涉及儲能技術(shù)領(lǐng)域，更具體涉及一種鋰離子電池內(nèi)部各層級厚度及表面形貌的檢測方法。

背景技術(shù)：

鋰離子電池在使用過程中，其內(nèi)部各層級(電池殼、正極、負(fù)極和隔膜)的厚度和表面形貌會發(fā)生變化，這些變化有些是可逆的，有些是不可逆的。在這些不可逆的變化中，隨著變化程度的增加，可能會導(dǎo)致電池內(nèi)部形成缺陷，增加電池使用過程中的隱患。目前對鋰離子電池內(nèi)部各層級厚度和表面形貌的分析方法，主要是在水分和氧氣含量極低的手套箱內(nèi)對電池進(jìn)行拆解，測量各層級的厚度，然后對各層級的樣品進(jìn)行處理，進(jìn)行掃描電鏡或投射電鏡的分析，研究各層級表面形貌的變化。這種方法雖然能很準(zhǔn)確的掌握鋰離子電池內(nèi)部各層級厚度和表面形貌的變化情況，但由于要拆解電池，也就破壞了電池，該電池?zé)o法再繼續(xù)使用，因此，需要開發(fā)針對鋰離子電池內(nèi)部各層級厚度和表面形貌的無損檢測方法。

超聲波由于其能夠快速、便捷、無損傷、精確地在工件內(nèi)部傳播，因材料的聲學(xué)特性和內(nèi)部組織的變化對超聲波傳播產(chǎn)生一定的影響，通過對超聲波受到影響程度和狀況的探測了解材料性能和結(jié)構(gòu)變化而在工業(yè)上被用于對工件內(nèi)部多種缺陷(裂紋、疏松、氣孔、夾雜等)的檢測、定位、評估和診斷。廣泛應(yīng)用在鍋爐、壓力容器、航天、航空、電力、石油、化工、海洋石油、管道、軍工、船舶制造、汽車、機(jī)械制造、冶金、金屬加工業(yè)、鋼結(jié) 構(gòu)、鐵路交通、核能電力、高校等行業(yè)。

超聲波時域反射(utdr)是基于超聲波在通過不同聲阻抗組織界面時會發(fā)生較強(qiáng)反射的原理工作，聲波在從一種介質(zhì)傳播到另外一種介質(zhì)的時候在兩者之間的界面處會發(fā)生反射，而且介質(zhì)之間的差別越大反射就會越大，所以可以對一個物體發(fā)射出穿透力強(qiáng)、能夠直線傳播的超聲波，然后對反射回來的超聲波進(jìn)行接收并根據(jù)這些反射回來的超聲波的先后、幅度等情況就可以判斷出這個組織中含有的各種介質(zhì)的大小、分布情況以及各種介質(zhì)之間的對比差別程度等信息(其中反射回來的超聲波的先后可以反映出反射界面離探測表面的距離，幅度則可以反映出介質(zhì)的大小、對比差別程度等特性)，從而判斷出該被測物體厚度信息、表面形貌并研究其內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

低頻的超聲波穿透性強(qiáng)但是分辨率不高，高頻的超聲波在穿過同樣厚度樣品時展現(xiàn)更好的分辨率但是衰減很快，通過調(diào)整超聲波脈沖能量能提供更大的滲透力量但有可能產(chǎn)熱并損壞樣品，所以在試驗中需要選擇合適的超聲波頻率至關(guān)重要。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是彌補(bǔ)現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，提供一種鋰離子電池內(nèi)部各層級厚度及表面形貌的檢測方法，發(fā)現(xiàn)電池內(nèi)部存在的安全隱患，提高鋰離子電池在運行過程中的安全性。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：一種鋰離子電池內(nèi)部各層級厚度及表面形貌的檢測方法，包括：

(1)選取待測試樣品；

(2)獲取樣品未測試前的波形信號；

(3)對測試樣品進(jìn)行組裝電池實驗；

(4)取出組裝后的樣品獲取測試后的波形信號；

(5)通過與測試樣品初始波形信號對比，分析其厚度和表面形貌差異信息；

(6)確定樣品厚度和表面形貌變化。

待測試樣品未測試前的信號和測試后的信號均通過超聲時域發(fā)射器和超聲時域接收器獲得。

利用超聲時域發(fā)射器對測試樣品或組裝后的樣品發(fā)射超聲脈沖信號，超聲脈沖信號根據(jù)測試樣品或組裝后的樣品的厚度進(jìn)行周期性反射并通過超聲時域接收器接收，同時在示波器上顯示與信號相對應(yīng)的波形信號。

在待測試樣品進(jìn)行測試前，將耦合劑涂在待測試樣品與超聲時域發(fā)射器或超聲時域接收器的接觸面，使兩者緊密接觸。

所述對測試樣品進(jìn)行組裝電池實驗的過程包括在待測試樣品遠(yuǎn)離超聲時域發(fā)射器的一邊疊加鋁箔或涂布石墨。

所述脈沖信號發(fā)射器的頻率為2-100mhz。

所述脈沖信號發(fā)射器的頻率為10mhz，微調(diào)超聲波頻率得到清晰的波形信號。

在組裝后的樣品進(jìn)行測試前，將耦合劑涂在組裝后的樣品與超聲時域發(fā)射器或超聲時域接收器接觸面，使組裝后的樣品和超聲時域發(fā)射器或超聲時域接收器緊密接觸。

當(dāng)待測試樣品遠(yuǎn)離超聲時域發(fā)射器的一邊疊加鋁箔時，將耦合劑涂在鋁箔、測試樣品與超聲時域發(fā)射器或超聲時域接收器的接觸面，并緊密接觸；

當(dāng)待測試樣品遠(yuǎn)離超聲時域發(fā)射器的一邊涂布石墨時，將耦合劑涂在測試樣品上未涂布石墨面與超聲時域發(fā)射器或超聲時域接收器的接觸面，并緊 密接觸。

所述待測樣品為鋰離子電池各層。

通過波形信號分析測試樣品厚度、厚度變化及表面形貌改變；通過超聲波在不同材料中不同傳遞速度及傳遞時間計算測試樣品各層級厚度；通過對比前后波形信號差異分析厚度變化及表面形貌變化；每個層級區(qū)域的變化根據(jù)所述波形信號的峰強(qiáng)、峰寬及峰位移的變化確定。

和最接近的現(xiàn)有技術(shù)比，本發(fā)明提供技術(shù)方案具有以下優(yōu)異效果

1、本發(fā)明技術(shù)方案根據(jù)信號波的變化來分析和探索各層厚度、表面形貌及其測試前后變化；

2、本發(fā)明技術(shù)方案對于鋰離子電池各層級的分析是根據(jù)脈沖反射回來的信號并在示波器上顯示的特定波形，不同的材料和不同的厚度都對應(yīng)于不同的波形，有利于辨識和具有特定性和針對性；

3、本發(fā)明技術(shù)方案簡單易操作，設(shè)備投資小，測試時間短，能用于商業(yè)鋰離子電池的檢測，能大規(guī)模的應(yīng)用；

4、本發(fā)明技術(shù)方案通過測量鋰離子電池內(nèi)部各層級的厚度和表面形貌，掌握鋰離子電池在使用過程中厚度和表面形貌的變化情況，發(fā)現(xiàn)電池內(nèi)部存在的安全隱患，提高鋰離子電池在運行過程中的安全性。

附圖說明

圖1為本發(fā)明實施例的超聲時域反射檢測鋰離子電池各層表面沉積示意圖；

圖2為本發(fā)明實施例的超聲時域反射檢測鋰離子電池腫脹示意圖；

圖3為本發(fā)明實施例的超聲時域反射檢測鋰離子電池壓實示意圖；

圖4為本發(fā)明實施例的超聲時域反射檢測鋼片厚度示意圖；

圖5為本發(fā)明實施例的超聲時域反射檢測鋼片及鋼片疊加鋁箔厚度示意圖。

具體實施方式

本例的發(fā)明提供一種鋰離子電池內(nèi)部各層級厚度及表面形貌的檢測方法，通過以下步驟來實現(xiàn)：

(1)選取待測樣品；

(2)獲取樣品未測試前信號；

(3)組裝電池進(jìn)行實驗；

(4)取出樣品獲取測試后信號；

(5)與樣品初始信號對比分析厚度、表面形貌差異信息；

(6)描述樣品厚度、表面形貌變化。

待測樣品信號通過超聲時域發(fā)射器和超聲時域接收器獲得，脈沖信號發(fā)射器頻率在2-100mhz之間，信號在示波器上形成對應(yīng)波形信號，通過波形信號分析樣品厚度、厚度變化及表面形貌改變。通過超聲波在不同材料中不同傳遞速度及傳遞時間計算各層級厚度；通過對比前后信號差異分析厚度變化及表面形貌變化。每個層級區(qū)域的變化根據(jù)所述波形信號的峰強(qiáng)、峰寬及峰位移的變化確定。如圖1-3所示。

以鋰離子電池各層為樣品，利用超聲時域發(fā)射器對各層發(fā)射超聲脈沖信號，信號會根據(jù)樣品厚度進(jìn)行周期性反射并通過接收器接收，同時在示波器上顯示相對應(yīng)的特定波形。由于樣品的沉積會導(dǎo)致波的傳遞距離和速度發(fā)生改變，腫脹和壓實會導(dǎo)致波的傳遞距離改變，所述波形變化包括峰強(qiáng)、峰寬及峰位移的變化；通過觀察周期的改變，若周期變長/變短則對應(yīng)厚度增大/降低，通過δd＝1/2c(z2-z1)(δd為樣品厚度在腫脹或壓實情況下的變化，c 為超聲波在樣品中傳遞速度，z1為樣品測試前波形周期，z2為樣品測試后波形周期)。根據(jù)峰強(qiáng)的變化確定沉積物類別，進(jìn)而確定超聲波在沉積層傳遞速度，從而根據(jù)峰寬變化確定沉積層厚度和表面形貌的變化。

下面結(jié)合實施例對發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。

實施例1：

將鋼片作為基體，將頻率為10mhz超聲探頭作為超聲脈沖發(fā)射器，取一定量的耦合劑涂在鋼片與超聲波發(fā)生/接收探頭接觸面，緊密接觸，打開示波器和脈沖發(fā)生器，調(diào)整超聲波頻率至與樣品厚度吻合，進(jìn)行測試，將測試結(jié)果進(jìn)行分析，得到鋼片厚度周期信號。如圖2所示。

實施例2：

將鋁箔作為基體，將頻率為10mhz超聲探頭作為超聲脈沖發(fā)射器，取一定量的耦合劑涂在鋁箔與超聲波發(fā)生/接收探頭接觸面，緊密接觸，打開示波器和脈沖發(fā)生器，調(diào)整超聲波頻率至與樣品厚度吻合，進(jìn)行測試，將測試結(jié)果進(jìn)行分析，得到鋁箔厚度周期信號。

實施例3：

將正極殼作為基體，將頻率為10mhz超聲探頭作為超聲脈沖發(fā)射器，取一定量的耦合劑涂在正極殼與超聲波發(fā)生/接收探頭接觸面，緊密接觸，打開示波器和脈沖發(fā)生器，調(diào)整超聲波頻率至與樣品厚度吻合，進(jìn)行測試，將測試結(jié)果進(jìn)行分析，得到正極殼厚度周期信號。

實施例4：

將鋼片作為基體，將頻率為10mhz超聲探頭作為超聲脈沖發(fā)射器，取一定量的耦合劑涂在鋼片與超聲波發(fā)生/接收探頭接觸面，緊密接觸，打開示波器和脈沖發(fā)生器，調(diào)整超聲波頻率至與樣品厚度吻合，進(jìn)行測試，將測試 結(jié)果進(jìn)行分析，得到鋼片厚度周期信號。在鋼片遠(yuǎn)離超聲探頭一邊疊加鋁箔，取一定量的耦合劑涂在鋁箔、鋼片與超聲波發(fā)生/接收探頭接觸面，緊密接觸，打開示波器和脈沖發(fā)生器，調(diào)整超聲波頻率至與樣品厚度吻合，進(jìn)行測試，將測試結(jié)果進(jìn)行分析，通過與鋼片周期比較得到周期波寬變化，結(jié)合超聲波在鋁箔中的傳輸速度，得到鋁箔厚度。如圖3所示。

實施例5：

將鋼片作為基體，將頻率為10mhz超聲探頭作為超聲脈沖發(fā)射器，取一定量的耦合劑涂在鋼片與超聲波發(fā)生/接收探頭接觸面，緊密接觸，打開示波器和脈沖發(fā)生器，調(diào)整超聲波頻率至與樣品厚度吻合，進(jìn)行測試，將測試結(jié)果進(jìn)行分析，得到鋼片厚度周期信號。在鋼片遠(yuǎn)離超聲探頭一邊涂布石墨，取一定量的耦合劑涂在鋼片未涂布石墨面與超聲波發(fā)生/接收探頭接觸面，緊密接觸，打開示波器和脈沖發(fā)生器，調(diào)整超聲波頻率至與樣品厚度吻合，進(jìn)行測試，將測試結(jié)果進(jìn)行分析，通過與鋼片周期比較得到周期波寬變化，結(jié)合超聲波在石墨中的傳輸速度，得到石墨涂層厚度，根據(jù)峰強(qiáng)的變化和偏移，確定石墨層表面形貌及內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

最后應(yīng)當(dāng)說明的是：以上實施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案而非對其限制，所屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人員盡管參照上述實施例應(yīng)當(dāng)理解：依然可以對本發(fā)明的具體實施方式進(jìn)行修改或者等同替換，這些未脫離本發(fā)明精神和范圍的任何修改或者等同替換，均在申請待批的本發(fā)明的權(quán)利要求保護(hù)范圍之內(nèi)。